我們在生活中，可以觀察到兩種物理學(xué)特性——粒子性和波動性，不同的事物會觀察到不同的特性。粒子性指的是事物具有質(zhì)量、動量等特征量，就像一只貓、一張桌子，它們只會出現(xiàn)在一個確切的位置。波動性指的是事物具有波峰、波谷、周期等特征量，比如聲波、水波，它們可以延伸到整個空間。
那么光呢？光是粒子還是波？這個問題困擾了人們數(shù)百年，引起了無數(shù)爭論。
惠更斯的波動說和牛頓的微粒說
最早的比較全面的關(guān)于光的理論是由荷蘭物理學(xué)家惠更斯提出的。惠更斯提出了“以太”的概念，認(rèn)為光是以以太為介質(zhì)進(jìn)行傳播的一種波。后來，牛頓提出了他的光微粒說，認(rèn)為光是由非常微妙的微粒組成。
惠更斯的波動說和牛頓的微粒說都能解釋一些現(xiàn)象，但是各自都有缺陷。由于牛頓在物理學(xué)中的影響力，他的微粒說占據(jù)了主導(dǎo)地位。
惠更斯
托馬斯·楊的實驗和麥克斯韋的研究
19世紀(jì)，英國的“全才”托馬斯·楊進(jìn)行了著名的光的雙縫實驗。在這個實驗中，光源發(fā)出的光會經(jīng)過擋板的兩條縫隙，再投射到接收板上。如果光是一種粒子的話，接收板上應(yīng)該會出現(xiàn)兩個明亮的區(qū)域。但是實驗結(jié)果卻是在接收板上出現(xiàn)了明暗相間的條紋。這樣的實驗結(jié)果只能用波的理論來解釋。
光的雙縫實驗
同世紀(jì)，詹姆斯·麥克斯韋整合電磁學(xué)的理論，提出麥克斯韋方程組。麥克斯韋方程組預(yù)言電磁波的存在，根據(jù)麥克斯韋方程組計算出的電磁波的傳播速度與實驗測量的光速相等，于是麥克斯韋認(rèn)為光是一種電磁波，電磁學(xué)和光學(xué)由此聯(lián)合形成統(tǒng)一理論。
至此，人們以為關(guān)于光的本質(zhì)的研究基本塵埃落定：光是一種波，并且其本質(zhì)是由電磁現(xiàn)象產(chǎn)生的電磁波。但事情并沒有這么簡單。
波動說解釋光的雙縫實驗
普朗克關(guān)于黑體輻射的研究
19世紀(jì)末，物理學(xué)家們在研究黑體輻射時遇到了困難。黑體就是不反射任何光線的物體，在黑體達(dá)到一定溫度時，會向外輻射出光，這個現(xiàn)象稱為黑體輻射。物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)黑體輻射的光波頻譜無法用經(jīng)典的理論加以解釋。德國物理學(xué)家普朗克首次提出“量子”的概念，假設(shè)黑體輻射的能量并不連續(xù)，而是一份份地傳播，有一個最小的能量單位——能量子。這樣的假設(shè)可以很好的解決黑體輻射的頻譜問題。“量子”的提出，是量子力學(xué)的開端。普朗克也因為他發(fā)現(xiàn)能量量子而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。
愛因斯坦與光電效應(yīng)
光電效應(yīng)是指，光照射到金屬表面會使金屬激發(fā)出電子。但是并不是所有的光都能使金屬激發(fā)出電子。物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)能否激發(fā)電子，與光的頻率有關(guān)，而與光的強(qiáng)度無關(guān)，這與經(jīng)典的“光波動說”相矛盾。愛因斯坦為了解決這一問題，把普朗克的量子假說應(yīng)用于光電效應(yīng)。他認(rèn)為光不是連續(xù)的，而是一份份地傳播，有一個最小的傳播單位，光量子的能量與頻率成正比。這樣的假設(shè)可以很好地解釋光電效應(yīng)。愛因斯坦推廣了普朗克的“量子”思想，同樣為量子力學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。愛因斯坦也因這項成就獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。至此，人們已經(jīng)認(rèn)識到光有時候會展現(xiàn)波動性，有時候會展現(xiàn)粒子性——即光的波粒二象性。
德布羅意物質(zhì)波
法國物理學(xué)家德布羅意在他的博士論文中提出了物質(zhì)波，認(rèn)為不只是光，所有的物質(zhì)都同時具有粒子性和波動性。三年后，喬治·湯姆孫以電子為對象，完成了電子的雙縫干涉實驗，證實了電子也具有波的性質(zhì)。從此，物理學(xué)家們普遍認(rèn)為所有的物質(zhì)都具有波粒二象性。德布羅意也因為他的這個天才的想法和對量子力學(xué)的貢獻(xiàn)，而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。
物質(zhì)波
單個粒子的雙縫干涉實驗
但是你可能對以上解釋不能滿意，因為上述實驗都可以解釋為：光和物質(zhì)本質(zhì)都是粒子，只是一大堆物質(zhì)在通過縫隙的時候“相互碰撞”，而使整體呈現(xiàn)波的特性，就像一堆水分子相互影響形成水波。
對此，科學(xué)家設(shè)計了一個實驗：把光源強(qiáng)度調(diào)整到很低，每次只有一個光子可以從光源發(fā)出，當(dāng)光子打到感光片上，再發(fā)出下一個光子，這樣就排除了“相互碰撞而使整體呈現(xiàn)波的特性”的可能。實驗結(jié)果是，每一次感光片都只會出現(xiàn)一個亮點(diǎn)，而且位置是隨機(jī)的，當(dāng)進(jìn)行很多次以后，亮點(diǎn)的分布會非常有規(guī)律，它們看起來就是明暗相間的條紋——楊氏雙縫實驗的結(jié)果。
單個光子的雙縫實驗結(jié)果
科學(xué)家的解釋是，單個光子在通過縫隙的時候會呈現(xiàn)波動性，同時穿過兩條縫隙，自己與自己發(fā)生干涉，打在感光片上時，則呈現(xiàn)粒子性（只出現(xiàn)在一個地方）。
后來物理學(xué)家又用了電子、中子、質(zhì)子，甚至是體積非常大的分子來進(jìn)行同樣的實驗，都得到了同樣的結(jié)果。由此證明物質(zhì)具有波粒二象性。
單個電子的雙縫實驗結(jié)果
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